面向虚拟电厂的公共建筑可调控资源对象建模技术研究*

张 少 迪

[1.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063;2.上海市智能电网需求响应重点实验室, 上海 200063]

0 引 言

随着我国双碳战略的实施和推进,能源供给侧的清洁化和能源需求侧的规模化,实现电气化是双碳30·60计划达标的必要条件,而在这一发展过程中,电网将呈现“双高”、“双随机”的显著特征,即:“高比例可再生能源渗透率”、“高比例电力电子设备”、“清洁能源发电随机性”、“需求侧用电随机性”等问题,因此电力系统将面临安全性、可靠性的严峻挑战。虚拟电厂[1-2]通过先进信息通信技术和软件系统,实现分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车等分布式能源的聚合和协调优化,作为一个特殊电厂参与到电力市场和电网运行的电源协调管理中。虚拟电厂技术的应用使得需求侧复杂繁多的发、用电设备聚合后向电网呈现稳定的功率输出,是“北上广深”等以公共建筑密集型超大城市平衡电力供需、维护电网稳定的重要技术手段[3-4]。

随着“零碳建筑”概念的推广,公共建筑除了传统的非工空调、锅炉等需求响应可中断负荷,还将配置分布式电源、储能系统、充电桩设施等可调控资源,通过虚拟电厂聚合,为电网提供辅助服务,优化电网负荷峰谷差和应对电网紧急避峰事件等。为了实现虚拟电厂的资源调控,需要对公共建筑的可调控资源建模,并通过互联网传输,从而实现远程精准感知和控制,即通过互操作通信协议实现信息交互。目前尚无虚拟电厂互操作统一建模标准,在IEC TC8/SC8B工作组中,列入制订计划的是虚拟电厂架构、用例等标准,互操作标准还没有计划;国网在充分借鉴欧美电力辅助服务市场经验,在OpenADR基础上编制了DL/T 1867—2018《电力需求响应信息交换规范》作为试点中市级主站与各聚合商之间的互操作协议[5],但是聚合商与用户之间的互操作协议存在空白,主要是由于用户现场用能设备品牌多、协议私有化,需要在DL/T 1867—2018基础上进行扩展。目前国内外都缺乏对虚拟电厂互操作协议统一建模的研究。

本文从公共建筑虚拟电厂资源调控需求着手,研究并设计基于面向对象技术的信息模型和信息交互换服务,对典型公共建筑进行仿真,分析了建模的可行性。

1 公共建筑虚拟电厂信息模型设计

从电网调度对虚拟电厂管控角度考虑,需要将公共建筑可调控资源呈现在电网拓扑结构上,以便在局部区域多维度的重载/过载场景发生时能够快速定位并组织可调控资源按既定策略出力提供辅助服务。公共建筑由于占地面积大、功能区划分复杂等特点,其内部配电线路和外部供电线路通常配置多路,并且为了提升供电可靠性还会配置联络器,因此为了描述公共建筑内部配电结构与电网拓扑架构之间的映射关系,以电气连接点(Electrical Connect Point,ECP)为核心建模。

公共建筑配电结构如图1所示。ECP是连接公共建筑可调控资源和配电线路的关键枢纽,通过对ECP的层级描述(包括其所在供电线路、所在主变等)和可调控资源接入描述(包括计量测点、控制策略等),电网调度即可利用互联网获取这些信息。

按照面向对象的建模方法,可以通过域包的形式进行组织,并将交互的信息封装成类,而具体的描述则可以通过类属性编辑成字段。根据以上建模需求,将信息模型按功能划分为5个域包,包括通用域(common)、架构域(architecture)、计量域(meter)、计划域(schedule)和事件域(event)。域包关联关系如图2所示。

通用域包定义其他域包需要使用的基本数据类型,如浮点型、整数型、字符串等符合ISO 8601规定的时间日期、单位尺度和符号枚举类型等。架构域描述公共建筑配电结构及电网拓扑映射。计量域描述公共建筑的计量测点信息和实测数据;计划域和事件域与公共建筑的调控能力和提供辅助服务相关。下面将重点介绍4个域包所设计的信息模型。

1.1 架构域信息模型

为了方便公共建筑各ECP集中管理以及与电网接口交互,架构域信息模型使用用户端能源管理系统(Customer Energy Management System,CEMS)作为公共建筑与电网之间的分界,也是最顶层信息模型。CEMS可包含多个ECP,每个ECP可包含多个可调控资源,按照电能流向将公共建筑典型的可调控资源分为3类,即分布式能源类(Distribute Energy Resource,DER)、储能类(Energy Store System,ESS)和可调控负荷(Dispatchable Load)。架构域信息模型和计量域信息模型如图3所示。

图3(a)所示为公共建筑内部架构的关联关系:CEMS顶层类模型描述公共建筑信息系统的基本属性,包含不少于1个ECP信息类。对于ECP类,包含必要的额定属性、关联的资源类以及绑定的计量类。对于3种资源类的描述,包含必要的额定属性、绑定的计量类以及辅助服务属性。

1.2 计量域信息模型

公共建筑的电力监控系统和分项计量系统一般是比较健全的,计量测点数量较多,需要根据虚拟电厂的计量需求提供定制。计量域包含对计量测点的元数据描述、计量报告样式的定制以及计量实测数据的报告组织等。计量域的顶层模型是计量类(MeterType),代表着实际的计量设备,通过标明该设备的编号、计量对象和测点元数据,从而将计量设备与第1.1章节的架构关联起来。

计量测点元数据使用计量明细类(MeterItemType)来描述。所谓测点元数据就是指计量设备采集的电气量属性。报告样式的定制可通过数据报告样式类(ReportSpecifierType)来描述,其中触发条件属性(TriggerOption)字段属性用于描述报告数据的触发方式,包含数值改变触发、数据采集信号触发等。如果是周期性数据采集,则利用采集频率属性(SamplingRate)和上报周期属性(IntegrityPeriod)字段属性来描述计量采集的频率和报告上传的周期。如果计量测点较多,可以通过数据组引用属性(DSRef)和数据组成员引用属性(DSMemberRef)两个字段属性的组合来定制测点集合。计量测点的实测数据则是通过MeterValueType信息类来封装,将计量数值的value属性、时戳timestamp属性、数据质量quality属性等上传。

1.3 计划域信息模型

计划域中的顶层类是计划(ScheduleType),描述了公共建筑虚拟电厂运营计划,计划类型由枚举类计划类型(ScheduleCategoryType)来描述,包括分布式能源发电计划、储能充放电计划、可调控负荷用电计划以及辅助服务备用计划。计划域信息模型如图4所示。

公共建筑可以有多个顶层计划类(ScheduleType)计划实例,在每个计划实例中,以连续单调的曲线形式描述了在由计划开始时间属性(SchdStartTime)和计划持续时间属性(SchdDuration)字段属性指定的时间周期内的计划数据。对于计划时间周期而言,可通过曲线数据的时戳划分更加精细的时间间隔,每个时间间隔的数据含义则通过枚举类数值含义类(ValueMeaningType)来描述,包括资源的爬坡(RampUp)和下坡周期(RampDown)、可调控负荷削峰(LoadShaving)和填谷(LoadFilling)周期、储能系统充电(ESSCharging)和放电(ESSDischarging)周期、分布式能源开机(DERStart)和关机(DERStop)周期。

1.4 事件域信息模型

事件域的顶层是事件(EventType),包含关联的实例事件计划类(EventScheduleType)、事件时间轴描述事件有效周期类(EventActive PeriodType)、事件状态发展跟踪事件描述类(EventDescriptionType)。事件域信息模型如图5所示。

通过枚举类事件状态类(EventStatusType)来描述事件发展状态,事件状态与时间轴关系如图6所示。

本设计的域包信息类支持由公共建筑的CEMS系统将虚拟电厂可调控资源电气连接结构、计量能力和实测数据、资源调控计划等上传至电网调度主站,并接收主站下发的事件指令信息,本设计适用于互联网传输的信息交换服务在CEMS和主站之间进行交互。

2 公共建筑虚拟电厂调控服务互操作模型

为了实现信息模型在公共建筑CEMS系统和电网主站之间交互,需要将信息模型以接口服务的形式进行互操作,首先需要在交互双方之间建立连接,在CEMS经过主站授权之后即可以主动上传或被动请求的方式传输公共建筑信息模型。目前常用的互联网传输底层协议很多,如HTTP协议,由子站发起连接,需要周期性轮询主站以获取调控指令,由于存在延时,导致效率不高;而TCP协议是长连接,虽然可以实时双向交互,但是占用主站网络资源较大,不适用于子站高并发访问。互操作底层协议将采用websocket协议,可以兼顾双向交互实时性和网络资源占用。

公共建筑虚拟电厂互操作流程如图7所示。

图7中,公共建筑CEMS系统在启动或掉线重连时需要主动建立与主站之间的连接,在得到主站连接授权之后,即可将含有ECP配电架构、DER、ESS和Load可调控资源以及计量能力的顶层类CEMSType实例上传至主站,之后主站可根据需求向CEMS请求相关信息,CEMS在完成主动上报之后,需要监听连接以获取主站指令。

把CEMS系统等待主站指令的过程设计成一个循环队列,当接收到主站指令时把指令封装成消息载荷发送给其他系统子程序处理,然后继续监听。在循环处理过程中,如果出现程序错误或者来自主站的错误响应,则终止程序等待错误处理。

本文设计的CEMS系统需要能够识别的主站指令包含资源信息请求指令、报告样式定制指令、计划需求请求以及事件控制指令,其中前3种指令需要CEMS系统反馈相关的报文,而第4种指令需要按照指令执行。CEMS监听主站指令接口如表1所示。

表1 CEMS监听主站指令接口

3 公共建筑建模实例

以一幢具有60 kW屋顶光伏、200 kWh储能、BA可控的中央空调和区域照明的公共建筑为例,说明设计的虚拟电厂模型与公共建筑实际设备属性之间的映射关系和方法。

公共建筑物理设备建模采用自上至下的方法,即从顶层CEMSType开始逐层向下至ECPType,再至具体的物理设备,公共建筑物理信息建模如图8所示。

在建立公共建筑物理信息模型后,即可通过信息接口将这些信息模型与主站之间进行交互。常用的操作就是对公共建筑顶层架构、ECP及其关联的分布式能源、储能系统、可调控负荷之间关联关系、计量测点等信息的增删改查操作,而对于计划和事件则需要根据日常的积累数据进行分析取得结果后上传至主站。

3.1 公共建筑输出功率预测

为了保证虚拟电厂对电网功率输出规律恒定,主站需要感知公共建筑的功率输出预测信息,包括公共建筑可以预测分布式能源的发电、储能系统充放电计划以及用电负荷等,常用的预测方法有回归分析法、神经网络法等[6-8]。根据接口计划配置需求(DistributeScheduleDemand)的要求,将指定时间段的预测结果利用发送计划值类(SendScheduleValues)接口将数据分析的结果发送给主站。

3.2 公共建筑辅助服务调控

公共建筑的非工空调可以参与电网辅助服务,主站为了能够精准感知公共建筑的备用能力,可以先通过接口计划配置需求(Distribute-ScheduleDemand)请求公共建筑的备用能力,然后再通过事件指令(EventCommand-Activation)正式要求公共建筑执行之前利用发送计划值类(SendScheduleValues)上传的计划,公共建筑非工空调调控建模如图9所示。

4 结 语

公共建筑是虚拟电厂的重要组成部分,通过设计面向虚拟电厂应用的公共建筑可调控资源信息模型和信息交换服务,为公共建筑的能源管理系统设计提供参考,也为智慧城市数字孪生研究提供支撑。此外,建模采用面向对象方法,具有可扩展性,为双碳推进过程中出现的电气化综合能源设备建模打下基础。